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Novos produtos farmacêuticos, combustíveis mais limpos, plásticos biodegradáveis: para satisfazer as necessidades da sociedade, os químicos têm de desenvolver novos métodos de síntese para obter novos produtos que não existem no seu estado natural. Um grupo de investigação da Universidade de Genebra (UNIGE), em colaboração com a Universidade de Cardiff, descobriu como utilizar um campo eléctrico externo para controlar e acelerar uma reacção química, como um “interruptor”. Esta obra, para ser lida em Avanços da Ciênciapoderia ter um impacto considerável no desenvolvimento de novas moléculas, permitindo não só uma síntese mais ecológica, mas também um controlo externo muito simples de uma reacção química.
Em química, a criação de compostos químicos orgânicos complexos a partir de reagentes mais simples é denominada “síntese orgânica”. Através de reações sucessivas, os químicos montam pequenas moléculas para formar os produtos desejados. A síntese orgânica é crucial para a fabricação de medicamentos, polímeros, agroquímicos, pigmentos e fragrâncias. Estas etapas sucessivas são extremamente precisas e delicadas de controlar. Para limitar os recursos necessários, o rendimento de cada etapa de reação deve ser ideal. Conseguir um melhor controle e uma operação mais simples dessas reações continua sendo um grande desafio de pesquisa.
“Qualquer transformação molecular resulta de elétrons – partículas elementares com carga negativa – movendo-se de um lugar para outro em uma molécula”, explica Stefan Matile, professor titular do Departamento de Química Orgânica da Faculdade de Ciências da UNIGE e parte do Centro Nacional de Competência em Pesquisa (NCCR) Engenharia de Sistemas Moleculares, que liderou o estudo. Os elétrons podem ser influenciados por um campo elétrico externo. É, portanto, teoricamente possível controlar eletricamente reações químicas. Embora simples em princípio e promissora em termos de impacto, esta abordagem deparou-se com diversas limitações e as suas poucas implementações tiveram um desempenho fraco.
Um avanço há muito esperado
Com as suas equipas, Stefan Matile e o seu homólogo da Universidade de Cardiff, o professor Thomas Wirth, conseguiram activar uma reacção química orgânica com um simples campo eléctrico. Para fazer isso, eles projetaram um reator microfluídico eletroquímico. Seus resultados mostram claramente a dependência entre o estado de progresso da reação química e a intensidade do campo elétrico aplicado. Este dispositivo permite que uma reação química seja ativada simplesmente apertando um botão.
”Esse tipo de reator tem a forma de uma pequena caixa na qual a mistura reacional pode circular entre dois eletrodos produzindo o campo elétrico. Os eletrodos são placas quadradas de 5 cm x 5 cm colocadas o mais próximas possível. Eles são separados por uma folha de um quarto de milímetro de espessura. Esta folha contém o canal de fluxo para a circulação das moléculas entre os eletrodos”, explica Ángeles Gutiérrez López, estudante de doutorado no grupo de Stefan Matile e primeiro autor do artigo.
Os eletrodos são revestidos com nanotubos de carbono. À medida que fluem pelo reator, os reagentes interagem fracamente com os nanotubos de carbono, expondo-os ao campo elétrico. Isso induz a polarização eletrônica na molécula, ativando a transformação química.
Rumo a uma ativação mais verde das reações químicas?
Para criar as ligações químicas desejadas com alto rendimento, os químicos geralmente implementam estratégias complexas de várias etapas, envolvendo vários intermediários. Estas estratégias requerem recursos e energia importantes. O novo dispositivo elétrico proposto por Stefan Matile e Thomas Wirth poderia simplificar essas estratégias e, assim, reduzir o impacto do carbono nas sínteses químicas.
O dispositivo tem a vantagem de ser fácil de controlar. “Nosso ‘reator’ é, em alguns aspectos, semelhante ao acelerador de partículas do CERN em Genebra, mas em vez de acelerar partículas subatômicas, acelera elétrons durante transformações moleculares”, explica Stefan Matile. Ainda são necessários avanços fundamentais para desbloquear todo o potencial do dispositivo. No entanto, este método poderá ser aplicado à química orgânica num futuro não muito distante, tornando a produção de medicamentos, novos combustíveis ou novos plásticos mais verdes e controláveis.
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